DE102022102679A1 - Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellenfahrzeug - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellenfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), mit einem Brennstofftank (6), der über eine Anodenfrischgasleitung (7) mit dem Brennstoffzellenstapel (2) verbunden ist, und mit einer ein Rezirkulationsgebläse (9) aufweisenden Rezirkulationsleitung (10), die stromauf des Brennstoffzellenstapels (2) in die Anodenfrischgasleitung (7) einmündet, wobei eine Iterationsleitung (11) stromab des Rezirkulationsgebläses (9) über einen Abzweig (12) aus der Rezirkulationsleitung (10) abzweigt und stromauf des Rezirkulationsgebläses (9) in die Rezirkulationsleitung (10) einmündet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel, mit einem Brennstofftank, der über eine Anodenfrischgasleitung mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, und mit einer ein Rezirkulationsgebläse aufweisenden Rezirkulationsleitung, die stromauf des Brennstoffzellenstapels in die Anodenfrischgasleitung einmündet, wobei eine Iterationsleitung stromab des Rezirkulationsgebläses über einen Abzweig aus der Rezirkulationsleitung abzweigt und stromauf des Rezirkulationsgebläses in die Rezirkulationsleitung einmündet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.
  • Brennstoffzellen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode überstöchiometrisch zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet.
  • Nicht verbrauchter Brennstoff wird über eine Rezirkulationsleitung unter Nutzung einer Strahlpumpe oder eines Rezirkulationsgebläses wieder der Anode zugeführt. Im Kathodenraum reagieren die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.
  • Brennstoffzellenvorrichtungen benötigen daher ein sorgfältiges Wassermanagement, da es zum Einen erforderlich ist zu verhindern, dass zu viel Wasser sich in der Brennstoffzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel befindet, was zu einer Blockade der Strömungskanäle für die Versorgung mit den Reaktanten führt. Befindet sich andererseits zu wenig Wasser in der Brennstoffzelle, ist die Protonenleitfähigkeit der Membran begrenzt, sodass auf eine ausreichende Feuchte und Wasserversorgung der Membran geachtet werden muss.
  • Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Daher wird ein Befeuchter genutzt, der bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirkt, indem die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft an einer für Wasserdampf durchlässigen Befeuchtermembran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.
  • Problematisch ist es, wenn bei einem Start der Brennstoffzellenvorrichtung Frostbedingungen vorliegen, also Bedingungen, bei denen Wasser gefriert. Dies kann dazu führen, dass die erforderlichen Strömungskanäle für die Reaktantengase und das Produktwasser durch Eis blockiert sind, weshalb es bekannt ist, eine Trocknungsprozedur beim Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung durchzuführen. Bei einem Start der Brennstoffzellenvorrichtung kann es gleichwohl zu Problemen führen, da bei dem Warmlaufen der Brennstoffzellenvorrichtung bis zum Erreichen von deren Betriebstemperatur über den rezirkulierten Brennstoff flüssiges Wasser in den Brennstoffzellenstapel eingetragen werden kann. Dies führt zu Einbrüchen bei der Einzelzellspannung und einer schleichenden Degradation des Brennstoffzellenstapels, wobei durch blockierte Strömungskanäle auch eine komplette Unterversorgung mit Brennstoff vorliegen kann mit der Gefahr eines Stapelbrandes, der zu einem Defekt der Brennstoffzellenvorrichtung und bei deren Nutzung in einem Brennstoffzellenfahrzeug zu dessen Defekt führen kann.
  • In der DE 10 2018 218 083 A1 wird ein Verfahren zum Austragen von Flüssigkeit aus einer Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, die eine Rezirkulationsleitung aufweist, wobei stromabwärts eines Rezirkulationsgebläses über ein Ventil ein Teilstrom mit der Flüssigkeit ausgeleitet wird. Vergleichbar ist aus der DE 10 2008 058 959 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bekannt, das eine Anoden-Rezirkulationsvorrichtung aufweist. Stromabwärts eines Rezirkulationsgebläses ist ein Ablassventil vorgesehen, über das bedarfsweise ein Teilstrom zur Verringerung von Flüssigwasser abgeleitet wird, der dann für die Rezirkulierung nicht zur Verfügung steht. Die US 2015 125 766 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenmoduls mit einer Wasserstoff-Rezirkulationspumpe. Auf der Grundlage eines Betriebssignals der Wasserstoff-Rezirkulationspumpe wird ein Flüssigwasseranteil innerhalb des Brennstoffzellenmoduls erkannt, wobei eine Wasserentfernung mittels einer Temperaturanhebung erfolgt.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung vorzuschlagen, bei der insbesondere unter Froststartbedingungen weniger Flüssigwasser in den Brennstoffzellenstapel eingetragen wird. Aufgabe ist weiterhin, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein verbessertes Brennstoffzellenfahrzeug bereit zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass rezirkuliertes Anodengas mehrfach durch das Rezirkulationsgebläse geleitet werden kann und dadurch eine Temperaturerhöhung durch erneute Verdichtung im Rezirkulationsgebläse erfährt. Mit der erhöhten Temperatur des rezirkulierten Anodengases ist eine Erhöhung der Wasseraufnahmefähigkeit und auch eine Erhöhung der Temperatur des dem Brennstoffzellenstapel über die Anodenfrischgasleitung zugeführten Gases verbunden, so dass die Kondensation an kälteren Leitungsabschnitten nach einem Froststart verringert ist. Es wird das Vorliegen von Flüssigwasser am Eingang des Brennstoffzellenstapels vermieden und dadurch eine höhere Systemrobustheit erreicht mit einer verbesserten Haltbarkeit, da eine Unterversorgung mit Brennstoff ausgeschlossen ist. Zu beachten ist auch, dass infolge der Nutzung der Iterationsleitung zur weitergehenden Erwärmung des rezirkulierten Anodengases dessen Ausleitung entbehrlich ist und damit eine verbesserte Brennstoffverwendung erreicht wird.
  • Ganz besonderes bevorzugt ist es, wenn in der Iterationsleitung ein Regelventil angeordnet ist. Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, die Nutzung der Iterationsleitung bedarfsabhängig auszuführen, insbesondere durch Schließen des Regelventils die Iterationsleitung abzusperren, wenn die relative Feuchte in dem rezirkulierten Anodengas gering ist, zum Beispiel nach Erreichen der Standardbetriebsbedingungen nach einem Froststart. Das Öffnen und Schließen des Regelventils kann dabei unabhängig von der Betätigung eines in der Rezirkulationsleitung angeordneten Purgeventils erfolgen.
  • Um die Notwendigkeit der Nutzung der Iterationsleitung besser beurteilen zu können, ist stromab des Rezirkulationsgebläses und stromauf des Abzweigs der Iterationsleitung ein Sensor zur Erfassung der Temperatur und/oder ein Sensor zur Erfassung der relativen Feuchte des rezirkulierten Anodengases angeordnet.
  • Alternativ oder auch ergänzend kann eine Recheneinheit vorgesehen sein zur modellbasierten Bestimmung der relativen Feuchte und/oder der Temperatur des rezirkulierten Anodengases anhand von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels. Als Betriebsparameter können dabei insbesondere der gegebene Lastpunkt, das Ausmaß der Degradation, die Umgebungstemperatur, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels, die Einzelzellspannung der Brennstoffzellen, die Betriebsdauer genutzt werden.
  • Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin vorgesehen ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel, mit einem Brennstofftank, der über eine Anodenfrischgasleitung mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, und mit einer ein Rezirkulationsgebläse aufweisenden Rezirkulationsleitung, die stromauf des Brennstoffzellenstapels in die Anodenfrischgasleitung einmündet, wobei eine ein Regelventil aufweisende Iterationsleitung stromab des Rezirkulationsgebläses über einen Abzweig aus der Rezirkulationsleitung abzweigt und stromauf des Rezirkulationsgebläses in die Rezirkulationsleitung einmündet, umfassend die Schritte:
    1. a) Bestimmen der Menge des Flüssigwassers an dem Abzweig,
    2. b) Bestimmen des Öffnungsgrades des Regelventils zur Festlegung des Anteils des durch die Iterationsleitung geleiteten rezirkulierten Anodengases zum Erreichen einer vorgegebenen oder vorgebbaren Höchstmenge des Flüssigwassers an dem Abzweig.
  • Mit diesem Verfahren wird die Dauer der Nutzung der Iterationsleitung optimiert und die zusätzliche Nutzung des Rezirkulationsgebläses auf das erforderliche Maß beschränkt.
  • Dazu ist es zweckmäßig, wenn das Bestimmen der Menge des Flüssigwassers an dem Abzweig über eine Messung der Temperatur und der relativen Feuchte erfolgt und dabei insbesondere in Abhängigkeit der relativen Feuchte und der Temperatur an dem Abzweig eine Mindesttemperatur bestimmt wird, die eine nachfolgenden Kondensation in der Anodenfrischgasleitung und/oder dem Brennstoffzellenstapel ausschließt.
  • Weiterhin kann ein zumindest teilweises Schließen des Regelventils erfolgen, um das Erfordernis einer weiteren Nutzung der Iterationsleitung zu überprüfen. Bei diesem Verfahrensschritt kann die relative Feuchte und die Temperatur für den Regelbetrieb überprüft werden, ob eine Rückführung durch die Iterationsleitung wirklich erforderlich ist.
  • Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten auch für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung, das sich insbesondere durch eine Verringerung des Verlustes an rezirkuliertem Anodengas und damit einer verbesserten Ausnutzung des Brennstoffes und damit einer Erhöhung der Reichweite auszeichnet. Dazu ist zweckmäßigerweise ein Steuergerät vorgesehen, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der vorstehenden Verfahren.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Iterationsleitung,
    • 2 eine Darstellung der Temperatur am Eintritt der Anode in Abhängigkeit der Stromdichte, strichliert dargestellt für den Stand der Technik ohne Iterationsleitung und mit durchgezogener Linie dargestellt für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Iterationsleitung gemäß 1, und
    • 3 eine zeitabhängige Darstellung der Zellspannung mit deren Einbruch bei Eintritt von Flüssigwasser in den Brennstoffzellenstapel.
  • In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen 3 umfasst.
  • Jede der Brennstoffzellen 3 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Der Anode kann Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff aus einem Brennstofftank 6 über eine Anodenfrischgasleitung 7 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
  • Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
  • Aufgrund der Vielzahl der Brennstoffzellen 3 muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 8 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 8 nachgelagerten Ladeluftkühler 5 und einem diesem nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 3 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
  • Dem Brennstoffzellenstapel 2 wird der Brennstoff überstöchiometrisch zugeführt, der dadurch also nicht vollständig verbraucht wird. Für die verbesserte Nutzung des Brennstoffes wird dieser mittels einer ein Rezirkulationsgebläse 9 aufweisenden Rezirkulationsleitung 10 rezirkuliert und stromauf des Brennstoffzellenstapels 2 wieder in die Anodenfrischgasleitung 7 eingespeist. Wenn aber beispielsweise Froststartbedingungen vorliegen, kann in dem rezirkulierten Anodengas eine große relative Feuchte gegeben sein verbunden mit einer relativ niedrigen Temperatur. Dies kann zu Kondensation an kalten Leitungsabschnitten führen und damit zu einem Eintrag von Flüssigwasser in den Brennstoffzellenstapel 2.
  • In der 3 ist der mit dem Eintrag von Flüssigwasser verbundene Einbruch der Zellspannung bei 8 Sekunden ersichtlich.
  • Um dies zu vermeiden, ist ausweislich von 1 eine Iterationsleitung 11 vorhanden, die stromab des Rezirkulationsgebläses 9 über einen Abzweig 12 aus der Rezirkulationsleitung 10 abzweigt und stromauf des Rezirkulationsgebläses 9 wieder in die Rezirkulationsleitung 10 einmündet. Diese Iterationsleitung 11 kann also genutzt werden, um das rezirkulierte Anodengas mehrfach durch das Rezirkulationsgebläse 9 zu leiten, wobei durch die mehrfache Verdichtung eine Erhöhung der Temperatur des Anoden(ab)gases erreicht wird. Diese Temperaturerhöhung kann soweit erfolgen, dass nachfolgend keine Kondensation an kalten Leistungsabschnitten stattfindet und somit der Eintrag von Flüssigwasser in den Brennstoffzellenstapel 2 vermieden ist. Aus der 2 wird die Temperaturerhöhung um 10 K (Kelvin) durch den Effekt einer wiederholten Durchleitung des rezirkulierten Anodengases durch die Iterationsleitung 11 und das Rezirkulationsgebläse 9 ersichtlich.
  • 1 weist auch darauf hin, dass in der Iterationsleitung 11 ein Regelventil 13 angeordnet ist, dass verwendet werden kann, die Nutzung der Iterationsleitung 11 einzuschränken oder zu unterbinden für Fälle, in denen kein Eintrag von Flüssigwasser in den Brennstoffzellenstapel 2 zu befürchten ist.
  • Dazu ist stromab des Rezirkulationsgebläses 9 und stromauf des Abzweigs 12 der Iterationsleitung 11 ein Sensor zur Erfassung der Temperatur und/oder ein Sensor zur Erfassung der relativen Feuchte des rezirkulierten Anodengases angeordnet. Alternativ oder auch ergänzend kann eine Recheneinheit vorgesehen sein zur modellbasierten Bestimmung der relativen Feuchte und/oder der Temperatur des rezirkulierten Anodengases anhand von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels 2. Anhand der Messergebnisse oder der Ausgaben des Modells kann dann die Stellung des Regelventils 13 gewählt werden.
  • Ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst die Schritte:
    1. a) Bestimmen der Menge des Flüssigwassers an dem Abzweig 12,
    2. b) Bestimmen des Öffnungsgrades des Regelventils 13 zur Festlegung des Anteils des durch die Iterationsleitung 11 geleiteten rezirkulierten Anodengases zum Erreichen einer vorgegebenen oder vorgebbaren Höchstmenge des Flüssigwassers an dem Abzweig 12.
  • Dabei kann das Bestimmen der Menge des Flüssigwassers an dem Abzweig 12 über eine Messung der Temperatur und der relativen Feuchte erfolgen und in Abhängigkeit der relativen Feuchte und der Temperatur an dem Abzweig 12 eine Mindesttemperatur bestimmt werden, die eine nachfolgenden Kondensation in der Anodenfrischgasleitung 7 und/oder dem Brennstoffzellenstapel 2 ausschließt. Dabei kann auch ein zumindest teilweises Schließen des Regelventils 13 erfolgen, um das Erfordernis einer weiteren Nutzung der Iterationsleitung 11 zu überprüfen.
  • Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 zeigt ihre Vorteile insbesondere bei der Nutzung in einem Brennstoffzellenfahrzeug, da dieses aufgrund seiner Mobilität häufig wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt sein kann und auch die Möglichkeit eines Froststartes gegeben ist. Insbesondere bei diesem Froststart ist eine Brennstoff-Unterversorgung des Brennstoffzellenstapels 2 vermieden, wobei aber auch eine Ausleitung von Brennstoff aus der Rezirkulationsleitung 10 an dieser Stelle und zu diesem Zweck unnötig und damit eine gesteigerte Effizienz und Reichweite erzielt ist; lediglich im Falle der Betätigung eines in der Rezirkulationsleitung angeordneten Purgeventils kann eine entsprechend Ausleitung von Brennstoff noch erfolgen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Brennstoffzelle
    4
    Befeuchter
    5
    Ladeluftkühler
    6
    Brennstofftank
    7
    Anodenfrischgasleitung
    8
    Verdichter
    9
    Rezirkulationsgebläse
    10
    Rezirkulationsleitung
    11
    Iterationsleitung
    12
    Abzweig
    13
    Regelventil
    14
    Abscheider
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018218083 A1 [0007]
    • DE 102008058959 A1 [0007]
    • US 2015125766 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), mit einem Brennstofftank (6), der über eine Anodenfrischgasleitung (7) mit dem Brennstoffzellenstapel (2) verbunden ist, und mit einer ein Rezirkulationsgebläse (9) aufweisenden Rezirkulationsleitung (10), die stromauf des Brennstoffzellenstapels (2) in die Anodenfrischgasleitung (7) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Iterationsleitung (11) stromab des Rezirkulationsgebläses (9) über einen Abzweig (12) aus der Rezirkulationsleitung (10) abzweigt und stromauf des Rezirkulationsgebläses (9) in die Rezirkulationsleitung (10) einmündet.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Iterationsleitung (11) ein Regelventil (13) angeordnet ist.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Rezirkulationsgebläses (9) und stromauf des Abzweigs (12) der Iterationsleitung (11) ein Sensor zur Erfassung der Temperatur und/oder ein Sensor zur Erfassung der relativen Feuchte des rezirkulierten Anodengases angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit vorgesehen ist zur modellbasierten Bestimmung der relativen Feuchte und/oder der Temperatur des rezirkulierten Anodengases anhand von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels (2).
  5. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), mit einem Brennstofftank (6), der über eine Anodenfrischgasleitung (7) mit dem Brennstoffzellenstapel (2) verbunden ist, und mit einer ein Rezirkulationsgebläse (9) aufweisenden Rezirkulationsleitung (10), die stromauf des Brennstoffzellenstapels (2) in die Anodenfrischgasleitung (7) einmündet, wobei eine ein Regelventil (13) aufweisende Iterationsleitung (11) stromab des Rezirkulationsgebläses (9) über einen Abzweig (12) aus der Rezirkulationsleitung (10) abzweigt und stromauf des Rezirkulationsgebläses (9) in die Rezirkulationsleitung (10) einmündet, umfassend die Schritte: a) Bestimmen der Menge des Flüssigwassers an dem Abzweig (12), b) Bestimmen des Öffnungsgrades des Regelventils (13) zur Festlegung des Anteils des durch die Iterationsleitung (11) geleiteten rezirkulierten Anodengases zum Erreichen einer vorgegebenen oder vorgebbaren Höchstmenge des Flüssigwassers an dem Abzweig (12).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Menge des Flüssigwassers an dem Abzweig (12) über eine Messung der Temperatur und der relativen Feuchte erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der relativen Feuchte und der Temperatur an dem Abzweig (12) eine Mindesttemperatur bestimmt wird, die eine nachfolgenden Kondensation in der Anodenfrischgasleitung (7) und/oder dem Brennstoffzellenstapel (2) ausschließt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zumindest teilweises Schließen des Regelventils (13) erfolgt, um das Erfordernis einer weiteren Nutzung der Iterationsleitung (11) zu überprüfen.
  9. Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  10. Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät vorgesehen ist, das eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8.
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